5次谐波对变压器的影响

zengxiaodong

并网逆变器配套的三相心式隔离变压器，采用D/Y-11接法，额定容量20  kVA

为了尽可能减小空载损耗，硅钢片采用了0.3mm的，并且应该是设计磁密偏低。

现在碰到了几个问题：

1、合闸涌流非常大，只要一合闸就发现日光灯闪一下，示波器实测峰值电流高达250A，但仅持续5.88ms一个脉冲；



黄色的就是电流波形


2、空载电压波形不正常，接上电网后，另一侧用万用表测量475V，理应得到整流后直流电压671伏，但实际直流电压高达713伏，超出了逆变器的工作范围。

为此用示波器测量了电压波形，发现呈现尖顶波形，这是导致万用表（有效值）测量不准确的根源。



这是实测的电压波形，进行了FFT分析，结果如下图。

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3、同时也实测了电网电压波形、以及FFT结果如下：






4、为了搞清楚问题所在，空载情况下对调了变压器的输入/输出端，发现在同样的电网电压波形下，另一侧的电压波形都是一模一样的尖顶波形。


5、从FFT结果可见，应该是5次谐波导致的尖顶现象，3次谐波、9次谐波、15次谐波.....都很小，这与D/Y绕组连接方式是吻合的。


6、电网电压波形是平顶波，FFT结果表明其中也是含有明显的5次谐波，这是不是导致副边尖顶波的根源？

zengxiaodong

电网电压及其经变压器变压后的电压，一个是平顶波、一个是尖顶波，对2者进行FFT分析，发现都是含有明显的5次谐波。

但是电网电压的平顶是由于基波、5次谐波的正负波峰重合（基本重合），而尖顶波是由于基波、5次谐波的正正波峰重合（基本重合）导致的，这可以根据相位信息来加以验证。


方法如下：

对于电网平顶波：基波相位-50.9、而5次谐波相位-441.5

根据时延与相位的关系，-50.9*5=-254.5

那么5次谐波的相位进行分解：-441.5=-254.5-187


这个187几乎就等于180°，参考下图，显然是正负波峰重合的。

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对于变压出的尖顶波：基波相位-80.8、而5次谐波相位-51.1

根据时延与相位的关系，-80.8*5=-404

那么5次谐波的相位进行分解：-51.1=-404+352.9


这个352.9几乎等于360°了，所以基波、5次谐波的正波峰互相重合，导致了尖顶波的产生！

标准答案

你的问题是？

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zengxiaodong

标准答案 发表于 2025-9-17 21:40
你的问题是？

我的问题是，尖顶波是如何产生的？


按道理D/Y连接变压器应该是波形很好的，但为什么却产生了严重的尖顶波呢？这是由于电网的原因导致的还是变压器本身存在某个问题导致的？

zengxiaodong

《电机学》教科书花了很多笔墨，论述3次谐波，而对于5、7次谐波关注很少。

实际上电力系统之所以采用3相供电，恰恰是因为3相系统可以大幅度削弱甚至消除3次谐波（及其倍数次谐波），至少这也是很诱人的优点之一！



3相系统的线圈无论是Y接法还是▲接法，都可以有效抵消3次及其倍数次的谐波电压：

1、Y接法如果不接中性线的话，3次及其倍数次的谐波电流也无法流通；

2、▲接法虽然可以流通3次谐波电流，但这个环流实际上形成内部短路，所以对外也就不能输出电压。



对于3相3柱的磁路系统而言，3次及其倍数谐波磁通也是无法流通的（至少是磁阻很大），因此，也就可以极大削弱3次及其倍数次磁通所感应出来的电压。


综上所述，3相的电路系统、磁路系统都非常有利于削弱3次及其倍数次谐波（电压、电流、磁通），所以，影响最大的应该就是5次谐波！

zengxiaodong

各次谐波的相序（转向），是《电机学》中的基础知识，结论那就是5次谐波的相序与基波相反。

下面来证明，相电压中的5次谐波，会在线电压中变成反相位：也就是平顶波会变成尖顶波，反之亦然，尖顶波则会变成平顶波。

各相的相电压

A相：Sin(wt)+sin(5wt)

B相：Sin (wt+120)+sin(5wt-120)

C相：Sin (wt-120)+sin(5wt+120)

为了方便起见，上述不考虑幅度的具体相对占比，这不影响证明的结果。

那么AB间的线电压就是进行相减运算

Sin(wt)-sin(wt+120)+sin(5wt)-sin(5wt-120)

=2cos(wt+60)*sin(-60)+2cos(5wt-60)*sin(60)

=1.732*[-cos(wt+60)+cos(5wt-60)]

=1.732*[sin(wt+60+270)+sin(5wt-60+90)]

=1.732*[sin(wt-30)+sin(5wt+30)]

=1.732*[sin(wt-30)+sin(5wt-150+180)]

这就从数学上证明了，相电压中与基波波峰重合的5次谐波（尖顶波），在线电压中则变成了与基波正负波峰重合（平顶波）

线电压还产生了30°的相移，这就是11点钟的由来。

zengxiaodong

本贴2楼中提到的第4条


这是我向变压器厂商反映问题后，所给出的第一个建议，当然我也觉得很有必要尝试一下，因此第一时间进行了测试。


也就是说，无论电网接到Y侧，还是▲侧，另一侧输出的波形始终都是尖顶波。这个实测结果可以由楼上的证明结论完美解释！


1、因为电网线电压是平顶波，因此我们可以得到结论：电网相电压一定是尖顶波；

2、当电网接到变压器▲侧时，变压器原边相电压（等于线电压）就是平顶波，那么Y侧（副边）的相电压也是平顶波，从而Y侧线电压必然是尖顶波；

3、当电网接到变压器Y侧时，变压器原边相电压就是尖顶波，那么▲侧（副边）的相电压（等于线电压）也是尖顶波。


这就是说D/Y（或者Y/D）连接方式的3相变压器，总是会使得5次谐波反相位！

zengxiaodong

根据上述的理论分析结果，我们进行了补充测试。



测试方式：

将电网（含中性线）接到Y侧，而副边▲侧三个线圈不互联（也就是线圈无任何电流），同时测试Y侧的A相相电压、BC间的线电压、A相的相电流。

zengxiaodong

果不其然，电网系统的相电压是尖顶波，这是导致变压器输出电压为尖顶波的根源！

显然，该电网系统存在严重的5次谐波污染，污染源头待查。

同时，对相电流进行了FFT分析，发现3次谐波、9次谐波含量极多。

zengxiaodong

原边Y侧相电流3次、9次谐波含量很高的原因可以解释。

那就是电网相电压中，总是含有一定量的3次、9次谐波，而3相3柱变压器的磁路系统，是无法通过3次谐波磁通的（磁阻很大），这也就意味着3次谐波的电感（感抗）很小，相对于3次、9次谐波电压而言近乎短路！

反之，5次、7次、11次、13次......谐波的电感很大（因为铁心磁路磁阻很小），从而这些次数的谐波电流反而不大。


理论上而言，完全对称的电网电压，则中性线中流过的电流将仅含有3次及其倍数次的谐波电流，实测中性线电流波形如下（HIOKI电流传感器，10mV/A）：

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对楼上中性线的实测电流进行FFT分析，果然3次、9次谐波电流比较大。

但是基波、5次、7次、11次、13次......谐波也有，这是因为3相系统不可能完全对称所致。

zengxiaodong

众所周知，不对称的3相电压（或电流），可以分解为正序、负序、零序三个分量，当然这仅适用于非3次谐波（及其倍数次谐波），也就是5、7、11、13次......谐波，因为3次及其倍数次谐波，本身都是零序分量，完全无法构成旋转分量。



因此，相电流、中性线电流之间的关系可以定量分析：

1、对于3次、9次......谐波，中性线电流几乎是相电流的3倍；

2、对于5、7、11、13次......谐波，中性线电流仅是零序分量。


这从FFT分析结果可以明显得到验证，尤其是第1条最为直观！

zengxiaodong

zengxiaodong 发表于 2025-9-22 21:53
根据上述的理论分析结果，我们进行了补充测试。

10楼的测试方式，副边（▲侧）各线圈断开，如果副边（▲侧）连接成三角形，再次进行测试


测试方式：

将电网（含中性线）接到Y侧，而副边▲侧三个线圈连接成三角形（环流可以流通），同时测试Y侧的A相相电压、BC间的线电压、A相的相电流。





很显然，相电流的幅度大大增加了，也就是变压器的空载铜损耗增加了很多倍（10倍以上）！

这是由于副边环流要产生损耗，且要维持铁心磁通不变的话，原边的电流也要能够抵消副边电流的励磁作用，这些多重效应叠加的结果，就是上图中相电流波形的变化，当然中性线电流也将随之变化。

zengxiaodong

下面探讨一下市电中5次谐波的来源。


最近，我连续碰到3个客户：江西抚州、江苏南京、广东深圳。发现的一个共同特点都是市网电压400伏以上（万用表测量），这会不会是5次谐波的根源呢？因为变压器磁路饱和会导致磁通波形为平顶波，从而产生大量的3、5、7、9、11、13次......谐波电压！

因为3及其倍数次谐波会被削弱，从而5次谐波成为主流。

在这种情况下，变压器损耗大幅度增加，而且可能会导致电能表计量的误差很大，这是不是供电部门乐见其成？


本贴讨论的20 kVA隔离变压器，就是新设计的低空载损耗变压器，原来的老型号空载下每天耗费5度电，实在太多了！原指望新产品能够降低空载损耗50%，结果装上3相电子电能表实测空载损耗，居然每天耗电增加到了9度电！！！

也就是说，感觉到测量误差高达400%左右，但是直接手摸变压器铁芯温度，同时用红外测温枪进行测温，原变压器铁芯温度85℃，而新变压器铁芯温度仅仅45℃，绝对不可能新变压器空载功耗大于老变压器！


为此，特地买了一台最老式的机械式3相电度表重新测量，24小时空载耗电度数确实不到3度电！这个显然更靠谱一些。

zengxiaodong

钢铁厂生产钢板，按照理论重量来计价，哪里有正公差的？假设按照称重量来计费，那又会是另一番景象！

同样的道理，供电部门为什么总是提供接近上限的电压？不可能是毫不利己、专门利人吧。


看看15楼的电压和电流波形，这种波形下电子电能表的准确性肯定没有一系列无比完善的国标来保证，其秘密一定更为供电部门所关注和掌握，因为他们才是专业的......

zengxiaodong

对于并网逆变器而言，网侧电压波形是平顶波好还是尖顶波好呢？


本贴顶楼讲到尖顶波的坏处，那就是波峰幅值大大提高了，这会导致三相全波桥带大电容滤波的不可控整流后直流电压大幅度增高，因为整流得到的直流电压取决于交流峰值而与有效值没有直接关系。而逆变器正常工作的前提就是直流母线电压要适当高于交流侧的峰值电压，“电压利用率”就是讲的这个问题，还需考虑滤波器的压降等细节问题。

但是，尖顶波对于锁相环PLL的工作是有利的，也就是更容易实现准确的相位检测。

而平顶波正好与上述相反，电压操作余量更足，但可能会导致PLL工作不准确，频繁出现频率偏差报警。

zengxiaodong

安川D1000号称，可以实现5次谐波为零的有源逆变。



只是不知道这个技术特性的具体含义是什么？是5次谐波的电压为零呢，还是5次谐波的电流为零。


根据其波形对比图，应该是5次谐波的电流为零。

zengxiaodong

安川的回馈逆变器，还有另外一种型号R1000，这个型号采用的是120°导通方式，而不是采用PWM调制方式，所以无法实现正弦波逆变，而且既没有电流环也没有电压环。

R1000的直流母线电压不可控，所以直流母线电压几乎就等于电网整流电压，这样的话如果变压器输出尖顶波的峰值超过700伏，就会导致直流母线泵升电压必须大于700伏才会开始回馈。

由于R1000没有PWM高频开关，所以不含有高频率的电流谐波，从而无需LCL滤波器。